玻尔兹曼方程和平衡分布函数

计算科学 pde 有限差分 有限体积 离散化
2021-12-15 08:31:33

平稳一维玻尔兹曼方程中的自由流项满足平衡分布函数,即: 等于零通过将

Fr{f}:=v(k)f(x,k)xdεsub(x)dxf(x,k)k
f0(x,k)=exp(k22mεsub(x))v(k)=km

然而,离散化后: 平衡函数不再是我们离散方程的解(当然,通过细化网格,解越来越接近平衡分布函数)。

Fr{f(xi,kj)}:=kjm[f(xi+1,kj)f(xi,kj)]εsub(xi+1)εsub(xi)Δx[f(xi,kj+1)f(xi,kj)]
f0(xi,kj)=exp(kj22mεsub(xi))

既然通过构造满足是我们离散化的一个非常重要的性质,您能否在这方面提出一个合适的离散化方案?Fr{f0}=0

1个回答

这是一个有趣的问题,对于 PDE 给出的其他数学模型也以类似的形式出现。我对您的特定表述没有经验,但是我可以尝试通过针对类似问题的建议来启发您,或者给出一些总体上有用的评论。

了解为什么需要数值方案来为特殊函数生成精确解可能非常重要。我熟悉例如对所谓的密度驱动流动的这种要求,其中对于仅在重力方向上可变的给定密度的特殊形式,人们期望解决方案,这里是压力,是近似的(或精确使用),使得没有人为数值流是在精确流为零的地方创建的另一个非常著名的案例是所谓的用于浅水问题的良好平衡数值方案,它在任意底部地形的静水情况下产生零数值流量。因此,了解您的案例的动机可能是有用的。f0

不过,这里有两个简短的建议。在密度驱动流动的情况下,存在所谓的一致速度近似来解决类似问题。这个想法是未知的解决方案(那里的压力)表示为两个函数的差异,其中一个是特殊变量密度的精确响应。

在您的情况下,可能不是求解 ,而是求解使得其中是您的平衡分布,应该为您的输入数据唯一定义。要获得的 PDE,请将插入 PDE。如果你的问题是那么你得到,并且,显然,解决方案是,如果您对双方使用相同的离散化(这是自然的)。ff~f=f~f0f0f~fFr{f}=0Fr{f~}=Fr{f~0}f~=f0

您要求的另一种解决方案是在数值近似的构造中进行特殊插值,但是如果函数可以具有一般形式,那么在您的情况下这看起来很复杂。这种程序成功的地方是例如一维静止对流-扩散方程的数值解,其中在恒定输入系数的情况下获得精确解的指数形式。受此启发,有人提出了一种使用指数分布假设的数值方案,用于两个网格点之间的数值解,这也适用于可变输入系数,并且作为“副产品”,它可以在恒定输入系数的情况下产生精确解。ϵsub